NH3-üBERWACHUNG EINES SCR-KATALYSATORS

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem SCR- Katalysator und einer Zustandsüberwachung des SCR-Katalysators.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass ein SCR-Kataiysator hinsichtlich seiner Funktion beurteilt wird. In der DE 43 15 278 A1 wird allgemein von einer überwachung des NH3-Speichers gesprochen, jedoch keine konkrete Angabe dazu gemacht, wie ein NH3-Füllstand bestimmt werden kann. In der DE 199 31 007 A1 wird beschrieben, dass sich bei Einspeicherung von Ammoniak gewisse physikalische Eigenschaften des SCR- Katalysators ändern, die messtechnisch erfasst werden können. Die nichtvorveröffentlich- te WO 2007/096064 der Anmelderin beschreibt eine Regelung bei einem Wechsel vom mageren in den stöchiometrischen Motorbetrieb bei einem Otto-Dl-Motor. Beim Dieselmotor wird dagegen nicht in den stöchiometrischen Betrieb gewechselt, so dass die Rege- lung des Motorbetriebs bei starker Erhöhung der Abgastemperatur hier anderweitig erfolgen muss. Aus der EP 1 712 764 A1 geht aus dem Abschnitt 27 hervor, dass eine NH3- Bilanz als Verfahren zur Bestimmung eines NH3-Füllstands des SCR-Katalysators genutzt wird. Diese Verfahren haben den folgenden Hintergrund:

Bei niedriger Abgastemperatur weisen SCR-Katalysatoren eine hohe Speicherfähigkeit für NH3 auf. Zudem steigt der Wirkungsgrad des Katalysators mit dem Speicherfüllstand. Ein zu hoher Speicherfüllstand ist jedoch zu vermeiden, da es bei steigender Temperatur zu einem raschen Rückgang der Speicherfähigkeit kommt und daher überschüssiges NH3 in die Umgebung abgegeben würde, ein im folgenden genannter NH3-Schlupf würde auftre- ten. Aus diesem Grunde ist der Speicherfüllstand zu überwachen und auf einen Sollwert zu regeln.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verlässliche und sichere Betriebsweise einer Brennkraftmaschine mit SCR-Katalysator zu ermöglichen, bei der ein NH3-Schlupf sicher vermeidbar ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den jeweiligen Unteransprüchen hervor.

Es wird eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem SCR-Katalysator und mit zumindest einer Zustandsüberwachung (10) des SCR-Katalysators auf dessen NH3-Füllstand

vorgeschlagen, wobei die Zustandüberwachung mit zumindest einem ersten und einem zweiten Detektierungsmodul verbunden ist, die den NH3-Füllstand auf jeweils unterschiedliche Weise feststellen. Vorzugsweise ist eine Korrelationseinheit vorgesehen, die mit dem ersten und dem zweiten Detektierungsmodul verbunden ist. Eine Weiterbildung weist eine Gewichtungsfunktion hinterlegt auf, mittels der ein NH3-Schlupf zwischen unterschiedlichen Detektierunge.n des NH3-Fü!!zustands zumindest teilweise kompensierbar ist. Vorzugsweise umfasst zumindest ein Detektierungsmodul einen Sensor, der in der Lage ist, einen Wert in Bezug zu dem NH3-Füllzustand aufzunehmen.

Bevorzugt ist, wenn zumindest das erste und/oder das zweite Detektierungsmodul eine Integration eines Massenstromes bezogen auf einen zugeführten und verbrauchten NH3- Massenstrom aufweist und/oder ein oder mehrere Kennfelder hinterlegt hat, die eine Abhängigkeit eines NOx-Umsatzes von einer eingespeicherten NH3-Menge im SCR- Katalysator enthält und/oder ein physikalisches Modell des SCR-Katalysators enthält, das kinetische Ansätze eines Speicherverhaltens aufweist und/oder eine kennfeldbasierte Bestimmung eines aktuellen NH3-Füllstandes des SCR-Katalysators aufweist.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Zustandsüberwachung mit einer Lastkontrolle und/oder einer SCR-Temperaturkontrolle gekoppelt ist, wobei eine NH3-Schlupf- Vermeidungsschwelle vorhanden ist, bei deren überschreitung eine Betriebsartumschal- tung der Brennkraftmaschine auslösbar ist.

Weiterhin bevorzugt ist die Zustandsüberwachung mit einer NH3-Füllstandsregelung gekoppelt. Es können ein oder mehrere SCR-Katalysatoren vorhanden sein. Diese können parallel und/oder in Serie geschaltet sein. Auch können ein oder mehrere Dosierungsfunktionen für ein oder mehrere Reduktionsmittel vorhanden sein. Eine Korrelation kann über jeden einzelnen SCR-Katalysator und/oder über mehrere SCR-Katalysatoren gemeinsam erfolgen.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung eines NH3-Füllstandes eines SCR-Katalysators einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer oben bzw. nachfolgend beschriebenen Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei dem auf zumindest zwei unterschiedliche Bestimmungswegen eine für einen jeweiligen NH3- Füllstand relevanter Wert bestimmt und diese miteinander korreliert werden, um daraus auf einen resultierenden NH3-Füllstand zu schließen. Vorzugsweise wird auf unterschiedlichem Bestimmungsweg jeweils ein NH3-Füllstand ermittelt und diese werden miteinander korreliert, um daraus einen resultierenden NH3-Füllstand zu ermitteln.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass aus Ergebnissen von unterschiedlichen Bestimmungswegen auf eine Drift zumindest zwischen zwei miteinander unterschiedlich bestimmter Werte geschlossen wird.

Beispielsweise kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren ein Diagnosesystem geschaffen werden, welches die unterschiedlichen Bestimmungswege nutzt, um eine überprüfung eines Teilsystems zur Bestimmung des NH3-Füllstands auszuführen.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein Schwellwert für einen Beginn eines NH3- Schlupfes eingestellt wird, bei dessen überschreitung die Brennkraftmaschine ihre Betriebsweise ändert. Der Schwellwert kann beispielsweise änderbar sein, insbesondere adaptierbar. Der Schwellwert kann beispielsweise in einem Kennfeld hinterlegt sein bzw. durch ein Steuergerät vorgegeben werden.

Des weiteren wird vorgeschlagen, dass zumindest einer der vorgeschlagenen Bestimmungswege zur überwachung eines SCR-Katalysators einer Brennkraftmaschine angewendet wird. Im folgenden werden weitere Merkmale und Erläuterungen zur vorgeschlagenen Brennkraftmaschine und zum Verfahren beschrieben.

Der aktuelle NH3-Füllstand wird gemäß eines Ausführungsbeispiels zumindest auf zwei, vorzugsweise auf mehrere Arten unabhängig voneinander bestimmt. Der NH3-Füllstand des SCR-Katalysators kann nicht direkt gemessen werden. Es müssen daher Methoden entwickelt oder genutzt werden, mit denen der NH3-Füllstand bestimmt werden kann. Werden NOx-Sensoren für diese Berechnung verwendet, so ist zu berücksichtigen, dass diese Sensoren eine gewisse Ungenauigkeit aufweisen. Da sich der Speicherfüllstand als Integral einer Differenz, z.B. zugegebene NH3-Menge - verbrauchte NH3-Menge, ergibt, erwächst auch aus kleinen Sensorfehlern von wenigen ppm mit der Zeit eine beträchtliche Fehlbestimmung des Speicherfüllstands. Ein weiterer Vorteil ist daher, durch die Verwen- düng verschiedener Methoden zur Bestimmung des NH3-Füllstands gleichzeitig eine teilweise Kompensation bzw. Korrektur des NOx-Sensorfehlers zu realisieren.

Zusätzlich ist für die Vermeidung von NH3-Schlupf bei schnell steigender Abgastemperatur ein Eingriff in die Motorsteuerung möglich, so dass es bei Temperaturanstieg gleich- zeitig zu höheren NOx-Rohemissionen kommt, die zu einem schnelleren Abbau des gespeicherten Ammoniaks führen. Durch die Mehrfachbestimmung des Speicherfüllstand

kann beispielsweise eine teilweise Kompensation eines NOx-Sensorfehlers sowie eine Korrektur eines Sensorsignals oder einer Dosierung erfolgen.

Eine erste Methode beinhaltet die Integration der Massenströme des dosierten NH3 sowie des für die NOx-Konvertierung verbrauchten NH3. Als Differenz dieser beiden Anteile ergibt sich die gespeicherte NH3-Meπge. Bei dieser Methode wird die dosierte NH3-

Menge aus der Kennlinie des Dosiersystems bestimmt. Die konvertierte Menge wird über den NOx-Umsatz gerechnet, zum Beispiel unter Verwendung von NOx-Sensoren vor und nach SCR-Katalysator oder ein Modell für die NOx-Emissionen. Diese Messsignale oder Modellwerte sind zu einem gewissen Grad fehlerbehaftet. Da es sich um eine Integration handelt, wird der so ermittelte Wert für den NH3-Füllstand mit der Zeit ungenauer.

Eine zweite Methode ermittelt den aktuellen NH3-Füllstand über Kennfelder, die die Abhängigkeit des NOx-Umsatzes von der eingespeicherten NH3-Menge beinhalten. Diese Abhängigkeit wird für den SCR-Katalysator in Voruntersuchungen bestimmt. Der Endwert des NH3-Füllstandes wird über eine Gewichtung der Teilergebnisse aus den verwendeten Methoden bestimmt. Die Gewichtung kann von verschiedenen Eingangsgrößen abhängen, beispielsweise von der Katalysatortemperatur oder dem Abgasmassenstrom. Alternativ dazu kann auch der arithmetische Mittelwert bestimmt werden.

Im Folgenden wird das Verhalten der ersten und der zweiten Methode genauer beschrieben. Die erste Methode berücksichtigt den komplett eindosierten Massenstrom des Reduktionsmittels. Dabei wird nicht beachtet, dass das Reduktionsmittel ggf. erst durch Zwischenschritte, zum Beispiel. Thermolyse, Hydrolyse, zu NH3 umgewandelt werden muss. Zudem kann ein Teil des Reduktionsmittels durch Ungleichverteilung oder Bildung von Ablagerungen gar nicht am SCR-Katalysator zur Verfügung stehen. Aus diesen Gründen liegt der über die erste Methode ermittelte NH3-Füllstand grundsätzlich höher als der tatsächlich für den NOx-Umsatz zur Verfügung stehenden NH3-Füllstand. Demgegenüber wird durch die zweite Methode unmittelbar überwacht, ob ein für die gewünschten NOx- Konvertierung ausreichender NH3-Füllstand vorliegt. Ist die NOx-Konvertierung niedriger als gewünscht, so reduziert sich der berechnete Füllstand und es wird mehr Reduktionsmittel eindosiert. Eine ausschließliche Verwendung dieser zweiten Methode weist jedoch das Risiko auf, dass bei einem NH3-Schlupf der durch querempfindliche NOx-Sensoren berechnete NOx-Umsatz immer weiter absinkt, was eine weitere Steigerung der Redukti- onsmitteldosierung und damit einen immer höheren NH3-Schlupf zur Folge hätte. Dies kann durch die gleichzeitige Verwendung der ersten Methode verhindert werden, welche

die absolut eindosierte Menge einbezieht und damit ein immer weiteres Ansteigen der Dosierung verhindert.

Grundsätzlich weisen die beiden Methoden ein gegenteiliges Verhalten bei einem fehler- behafteten Signal der NOx-Sensoren auf. Werden zwei NOx-Sensoren für die Regelung verwendet , zum Beispie! ein Sensor vor und einer nach SCR-Katalysator, und weisen diese beiden Sensoren denselben Fehler auf, so hat dies auf die Regelung keine Auswirkungen, da ausschließlich Differenzsignale verwendet werden. Bei einem unterschiedlichen Sensorfehler kommt es dagegen zu einer fehlerhaften Bestimmung des NH3- Füllstandes, sofern nur eine der oben genannten Methoden verwendet wird. Das Zusammenführen der ersten und der zweiten Methode ermöglicht dagegen eine teilweise Kompensation des Sensorfehlers. Zeigt zum Beispiel der hintere NOx-Sensor einen zu hohen Wert an, bedingt durch eine Sensordrift oder NH3-Schlupf, so wird ein zu niedriger NOx- Umsatz berechnet. Aus der in ersten Methode durchgeführten Integration der Differenz aus dosierter und umgesetzter NH3-Menge ergibt sich somit ein NI-13-Füllstand, der höher ist als der tatsächliche Füllstand. Dagegen ermittelt die zweite Methode einen niedrigeren Füllstand als tatsächlich vorliegt. Durch die Mittelwertbildung aus diesen Einzelwerten wird insgesamt ein plausibler NH3-Füllstand ermittelt, so dass die Regelung auch bei einem Sensorfehler stabil bleibt.

Eine zu große Abweichung der beiden ermittelten Füllstände kann zudem zur Adaption des NOx-Sensors bzw. der Dosierung genutzt werden. Wird eine solche Abweichung über einen applizierten Zeitraum erkannt, so wird zunächst die Dosierung reduziert, um zu prüfen, ob NH3-Schlupf vorliegt. Wird dadurch die Abweichung nicht reduziert, so kann auf eine Sensordrift geschlossen werden und eine Korrektur des Sensorsignals vorgenommen werden. Wird dagegen ein zusätzlicher Ammoniak-Sensor hinter dem SCR- Katalysator eingesetzt, so kann ein NH3-Schlupf unmittelbar gemessen werden und die Reduzierung der Dosiermenge zur überprüfung auf NH3-Schlupf kann entfallen.

Neben der oben beschriebenen ersten und zweiten Methode sind weitere Ansätze möglich, mit den der NH3-Füllstand bestimmt werden kann und deren Teilergebnisse mit in die Gewichtung für die Bestimmung des gesamten NH3-Füllstands einfließen.

Eine dritte Methode sieht ein physikalisches Modell des SCR-Katalysators vor, welches auf Basis von für den Katalysator spezifischen Materialdaten, zum Beispiel Zelldichte,

Volumen, spezifische Oberfläche, Beschichtungsmaterial etc., mittels kinetischer Ansätze das Speicherverhalten modelliert. Es kann darüber hinaus zum Zurücksetzen des ermittel-

ten NH3-Speichers verwendet werden, indem bei hoher Abgastemperatur nach dem Verstreichen einer applizierbaren Zeit der NH3-Füllstand zu Null gesetzt wird. Die Paramet- rierung eines solchen Modells kann über den Abgleich mit Laboruntersuchungen für einen identischen SCR-Katalysator erfolgen.

Eine vierte Methode ist eine kennfeidbasierte Bestimmung des aktuellen NH3- Füllstandes. Dabei wird in Voruntersuchungen der NH3-Füllstand in Abhängigkeit des Feed-Verhältnisses, zum Beispiel dosierte NH3-Konzentration/NOx-Konzentration vor SCR-Katalysator, und der den NOx-Umsatz bestimmenden Randbedingungen, z.B. Tem- peratur, Raumgeschwindigkeit, NO2/NOx-Verhältnis vor SCR-Katalysator etc., sowie die Zeitkonstante für den Auffüllvorgang bestimmt. Anhand dieser Werte kann durch Integration der dosierten NH3- und NOx-Mengen der NH3-Füllstand bestimmt werden.

Darüber hinaus ist eine messtechnische Bestimmung des NH3-Füllstandes denkbar, bei der ausgenutzt wird, dass sich physikalische Eigenschaften des SCR-Katalysators bei Speicherung von NH3 verändern. Diese Zusammenhänge sind im oben genannten Patent DE 199 31 007 A1 beschrieben worden, auf die im Rahmen der Offenbarung diesbezüglich vollumfänglich verwiesen wird. In DE 199 31 007 A1 ist bereits ein messtechnisches Verfahren zur Bestimmung des NH3-Füllstands beschrieben, welches zusätzlich zur BiI- düng eines Teilergebnisses in die Bestimmung des Gesamtfüllstands einfließen kann. Aus WO 2007/096064 ist der Wechsel vom Mager- in den Lambda-1 -Betrieb beschrieben. Jedoch kann auch bei reinem Magerbetrieb ein starker Lastanstieg zu einem Anstieg der Abgastemperatur und somit verminderter NH3-Speicherfähigkeit führen, so dass hier ein Eingriff in den Motorbetrieb notwendig ist, um den Speicherfüllstand rechtzeitig abbauen zu können. Für die Möglichkeit, wie ein Betriebsartenwechsel ausführbar ist, wird vollumfänglich im Rahmen der Offenbarung auf die WO 200/ 0960094 verwiesen. In Bezug auf eine mögliche Ausgestaltung einer Bilanzierung wird hingegen vollinhaltlich auf die EP 1 712 764 A1 verwiesen.

Beispielsweise kann es bei einem starken Lastanstieg zu einem schnellen Anstieg der SCR-Katalysatortemperatur kommen. Dies kann dazu führen, dass selbst bei deaktivierter Dosierung die bereits im SCR-Kat gespeicherte Menge nicht mehr vollständig in Form von NOx-Konvertierung umgesetzt werden kann, sondern als NH3-Schlupf in die Umgebung entweicht. Dem kann durch eine Umschaltung des Motors in eine andere Betriebsart mit höheren NOx-Rohemissionen und eventuell gleichzeitig niedrigerem Kraftstoffverbrauch - beispielsweise durch reduzierte Abgasrückführrate bzw. nach früh verstellten Einspritzbeginn - entgegengewirkt werden.

NOx-Sensoren weisen eine maximal mögliche Genauigkeit auf, die für eine exakte Do- sierreglung eventuell nicht ausreichend ist und reagieren zudem querempfindlich auf Ammoniak. Daher müssen derzeit entweder aufwendig zu bedatende modellbasierte Re- gelungen verwendet werden oder die Dosierregelung wird bewusst so ausgelegt, dass die maximal mögliche NOx-Effinzienz zu Gunsten der Vermeidung von Nh'3-Schluρf nicht ausgenutzt wird. Vorteil der hier beschriebenen technischen Lehre ist ein zumindest teilweiser Ausgleich von Messfehlem durch die Verwendung von mehreren unterschiedlichen Methoden zur Bestimmung der im SCR-Katalysator eingespeicherten NH3-Menge, wobei der Einfluss von Sensorabweichungen für zwei Methoden entgegengesetzt ist, so dass eine Kompensation des Fehlers realisiert wird, bzw. eine Erkennung von NH3-Schlupf oder eines Sensorfehlers ermöglicht wird. Dadurch ist auch eine Adaption des Sensors bzw. der Dosierung möglich.

Bei einem starken Temperaturanstieg des SCR-Katalysators kann gemäß einem weiteren auch unabhängigen Gedanken der Erfindung ein Schlupf des bei niedriger Temperatur eingespeicherten Ammoniaks vermieden werden, indem die Motorbetriebsart so eingestellt wird, dass die NOx-Rohemissionen erhöht werden und der für die Reduktion dieser Stickoxide erforderliche gesteigerte NH3-Umsatz den NH3-Füllstand schnell genug ab- senkt. Eine solche Motorbetriebsart kann dabei gleichzeitig zu einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch führen.

Gemäß einem zusätzlichen Gedanken der Erfindung kann die Bestimmung des NH3- Füllstandes zusätzlich zu den oben beschriebenen Methoden auch auf weitere Weisen erfolgen. Werden mehr als zwei Methoden verwendet, steigt auch der Bedatungsaufwand sowie die Komplexität der Plausibilisierung. Für die Mittelwertbildung zur Bestimmung des insgesamt vorliegenden NH3-Füllstandes kann eine Gewichtung der einzelnen Anteile eingeführt werden. Diese kann auch temperaturabhängig gestaltet werden. Beispielsweise kann auf diese Weise bei niedriger Temperatur dem kennfeldbasierten Füllstand eine höhere Gewichtung zugewiesen werden, wohingegen bei hohen Temperaturen dem aus der Bilanz bestimmten Füllstand ein höherer Einfluss zugeteilt werden kann.

Im Folgenden werden verschiedene Vorteile der Erfindung dargestellt, die jeweils auch einzeln unabhängig voneinander als Erfindung weitergeführt werden können:

- eigenständige Bestimmung des aktuellen NH3-Speicherfüllstands auf mehrere Weisen mit anschließender Gewichtung und Bildung eines Gesamtwerts;

- Verwendung eines Kennfelds, welches die Abhängigkeit des NOx-Umsatzes vom Füllstand berücksichtigt;

- Kompensation von durch Sensorfehlern oder NH3-Schlupf auftretenden Messfehlern durch gegenläufigen Einfluss dieses Messfehlers auf die verwendeten Methoden; - überprüfung der Abweichungen zwischen den Ergebnissen der verwendeten Methoden und Adaption der Dosierung bei erkanntem NH3-Scn!uρf bzw. Adaption des NOx- Sensorwerts bei erkanntem Sensorfehler;

- Einbeziehung weiterer Füllstandsbestimmung und/oder messtechnische Erfassung des Füllstands; - Wechsel der Motorbetriebsart zur Erhöhung der NOx-Rohemission bei Anstieg der Abgastemperatur zum zügigen Abbau des eingespeicherten Ammoniaks, um NH3- Schlupf zu vermeiden.

Eine jeweils bevorzugte Anwendung der Erfindung, die auch jeweils unabhängig vonein- ander weiterverfolgt werden können, ergibt sich beispielsweise wie folgt:

- Regelung des NH3-Füllstands insbesondere im PKW bei niedrigen Abgastemperaturen, um hohe NOx-Umsätze zu erzielen;

- Vermeidung einer Heizstrategie des SCR-Katalysators, falls eine optimierte Regelung zur Einhaltung der NOx-Grenzwerte schon bei niedriger Temperatur führt, dadurch

Vermeidung von Kraftstoff-Mehrverbrauch;

- Vermeidung eines zusätzlichen NH3-Sperrkatalysators hinter dem SCR-Katalysators, zum Beispiel wenn die Regelung einen NH3-Durchbruch auf ein minimales Niveau begrenzt wird; dadurch Einsparung eines zusätzlichen Bauteils und damit Kosten und Bauraum sowie zusätzlichen Kalibrieraufwand, insbesondere bei ODB;

- Wechsel der Motorbetriebsart hin zu höherer NOx-Rohemission mit gleichzeitig reduziertem Kraftstoffverbrauch.

Die Erfindung wird im Folgenden näher anhand beispielhafter Darstellungen erläutert. Die aus diesen Darstellungen hervorgehenden Einzelheiten und Merkmale sind jedoch nicht beschränkend auszulegen. Vielmehr sind diese nur als eine von mehreren möglichen Ausgestaltungen beziehungsweise Möglichkeiten zu verstehen. Des Weiteren sind die aus den einzelnen Figuren hervorgehenden Merkmale mit anderen Merkmalen aus anderen Figuren beziehungsweise aus der obigen allgemeinen Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 : eine schematische beispielhafte Darstellung der Anordnung von Brennkraftmaschine, SCR-Katalysator und weiteren Komponenten,

Fig. 2: eine beispielhafte schematische Darstellung der Abhängigkeit einer Ammoniak- Speicherfähigkeit über eine Temperatur eines SCR-Katalysators, Fig. 3: eine Darstellung einer NOx-Konvertierungsrate sowie eines Ammoniak-Schlupfes bezogen auf einen Ammoniak-Füllstand eines SCR-Katalysators,

Fig. 4: eine schematische Darstellung der Ermittlung eines NH3-Füllstands eines SCR- Katalysators auf verschiedene Weise und deren Weiterverarbeitung,

Fig. 5: eine Kompensation von zumindest zwei verschiedenen Bestimmungswegen ei- nes NH3-Füllstands zur Ermittlung eines daraus resultierenden Füllstands,

Fig. 6: eine beispielhafte Darstellung einer Regelung eines NH3-Füllstands mittels einer mit der überwachung integrierten Regelung, und

Fig. 7: eine Gegenüberstellung verschiedener Betriebsarten der Brennkraftmaschine, wobei im oberen Bereich der Fig. 7 ein NH3-Schlupf auftritt, wenn keine Be- triebsartumschaltung erfolgt, und im unteren Bereich der Figur 7 die Verhinderung eines NH3-Schlupfes durch die Betriebsartumschaltung dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt in beispielhafter Ausgestaltung eine Möglichkeit, verschiedene Komponenten des Systems anzuordnen. Diese Anordnung ist jedoch nicht beschränkend auszulegen. Vielmehr können auch verschiedene Komponenten an verschiedenen Orten angeordnet sein. Aus Fig. 1 geht eine Brennkraftmaschine 1 hervor. Diese ist mit einem Abgasstrang 2 verbunden. Eine Durchströmungsrichtung eines Abgases ist durch die Pfeile 3 angedeutet. Beispielsweise ist hinter der Brennkraftmaschine 1 ein Oxidationskatalysator 4 angeordnet. Anstelle des Oxidationskatalysators 4 könnte auch eine Abgasrückführung direkt der Brennkraftmaschine 1 nachfolgen und/oder eine Abgasturbine eines Abgasturboladers. Dem Oxidationskatalysator 4 ist beispielsweise ein erster NOx-Sensor 5 nachgeordnet. Dieser ist vorzugsweise vor einer Einmündung einer Reduktionsmittel-Zuführleitung 6 im Abgasstrang 2 angeordnet. Die Reduktionsmittel-Zuführleitung 6 weist beispielsweise ein Ventil 7 auf. Mittels dieses Ventils, beispielsweise einem Injektor, kann eine Dosierung eines zuzuführenden Reduktionsmittels gezielt gesteuert beziehungsweise geregelt werden. Das Ventil 7 ist hierfür über eine Datenleitung 8 mit einem Steuergerät 9, beispielsweise einem Motorsteuergerät, verbunden. In dem Steuergerät 9 ist vorzugsweise eine Zustandsüberwachung 10 eines SCR-Katalysators 11 enthalten. Die Zustandsüberwa- chung 10 kann jedoch auch in einem getrennten Steuer- beziehungsweise Regelgerät untergebracht sein, das mit dem Steuergerät 9 in Verbindung steht. Dem SCR-Katalysator 11 ist beispielhaft dargestellt zumindest ein Temperatursensor zugeordnet. Der Temperatursensor 12 ist gemäß dieser Ausgestaltung dem SCR-Katalysator 11 vorgeordnet. Er

kann jedoch auch in den SCR-Katalysator integriert vorliegen beziehungsweise diesem nachgeordnet sein. Auch können ein oder mehrere Temperatursensoren 12 an verschiedenen dieser Orte vorgesehen sein, um eine Temperaturüberwachung des Abgasstromes und/oder des SCR-Katalysators 11 zu ermöglichen. Dem SCR-Katalysator 11 ist strom- abwärts ein zweiter NOx-Sensor 13 zugeordnet. Die Anordnung der NOx-Sensoren kann auch auf andere Art und Weise erfoigen und ist nicht auf die hier vorgesteiite Anordnung beschränkt. Des Weiteren weist gemäß der hier vorgestellten Ausgestaltung das Steuergerät 9 implementiert neben der Zustandsüberwachung 10 ein erstes Detektierungsmodul 14, ein zweites Detektierungsmodul 15, eine Korrelationseinheit 16 und eine Gewich- tungsfunktion 17 auf. Diese einzelnen Komponenten können vorzugsweise im gleichen Steuergerät hinterlegt sein, können jedoch auch in unterschiedlichen Einheiten körperlich getrennt voneinander vorliegen. Sie sind in diesem Falle mit einem geeigneten Signalübertragungsweg ausgestattet, beispielsweise einem Bussystem. Die Detektierungsmo- dule 14, 15 können beispielsweise mit einem oder mehreren Sensoren verbunden sein, um für die jeweils dort hinterlegte Berechnungsmethodik einen oder mehrere dafür notwendige Werte zu erhalten. Insbesondere kann über die Korrelationseinheit 16 das von dem ersten Detektierungsmodul 14 und dem zweiten Detektierungsmodul 15 ermittelte Ergebnis hinsichtlich eines NH3-Füllstands korreliert werden. Beispielsweise ist vorgesehen, dass über eine Gewichtungsfunktion 17 eine Anpassung der ermittelten Ergebnisse erfolgt, so dass insgesamt als Endergebnis ein NH3-Füllstand vorliegt, mit dem insbesondere eine Regelung betreibbar ist. Eine Regelung des NH3-Füllstands ist hierbei vorzugsweise mittels eines aufgesetzten Reglers ausgeführt, der ebenfalls vorzugsweise in das Steuergerät 9 mit integriert vorliegt. Des Weiteren ist eine Lastkontrolle 18 vorgesehen. Die Lastkontrolle kann so wie dargestellt beispielsweise über eine Pedalstellung er- folgen. Es kann jedoch auch das Drehmoment oder die Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 hierfür überwacht werden. Neben diesen dargestellten Komponenten können auch weitere Komponenten, beispielsweise Sensoren, überwachungseinrichtungen und/oder zusätzliche Katalysatoren, vorgesehen sein, die hier jedoch aus Vereinfachungsgründen nicht näher dargestellt sind.

Mittels der vorgestellten Brennkraftmaschine 1 besteht die Möglichkeit, dass mehrere, bevorzugt zwei verschiedene Bestimmungswege eingesetzt werden, um den Füllstandswert des SCR-Katalysators 11 genauer bestimmen zu können. Besonders geeignet sind die ersten beiden nachfolgend beschriebenen Bestimmungswege, da sich ihre Fehler bei der Füllstandsbestimmung zumindest teilweise kompensieren, wenn man den Füllstand beispielsweise aus einer gewichteten Mittelwertbildung bestimmt.

Der erste Bestimmungsweg besteht darin, aus der zugeführtem Ammoniakmenge, die über die Taktung des Dosierventils bekannt ist, sowie aus der mit zwei NOx-Sensoren gemessenen Differenz der NOx-Werte vor und nach SCR-Katalysator 11 eine Ammoniakbilanz zu erstellen. Alternativ kann statt des NOx-Sensors vor dem SCR-Katalysator 11 auch ein Kennfeld oder ein Modell der von der Brennkraftmaschine 1 emittierten NOx- Ernissionen verwendet werden. Unter der weitgehend erfüllten Bedingung, dass NOx nicht in nennenswertem Umfang im SCR-Katalysator 11 gespeichert wird, kann die verbrauchte Ammoniakmenge aus dem Umsatz über die gemessene NOx-Differenz bestimmt werden. Der Rest des Ammoniaks muss folglich im SCR-Katalysator 11 gespei- chert bzw. bei negativer Bilanz abgebaut worden sein. Durch Integration der jeweils gespeicherten Mengen erhält man den momentanen Füllstand. Diese Bilanz berücksichtigt nicht einen Ammoniakschlupf, der natürlich durch geeignete Verfahrensführung vermieden werden soll. Zudem kommt bei Schlupf die Ammoniak-Querempfindlichkeit des NOx- Sensors hinter dem Katalysator zum Tragen. Der Sensor vor dem Katalysator wird nicht mit Ammoniak beaufschlagt, da er stromauf der Eindüsungsstelle für das Ammoniak liegt.

Der zweite Bestimmungsweg sieht ebenfalls die Messung des zugeführten Ammoniak sowie der NOx-Werte vor und nach SCR-Katalysator vor. Aus dem wie im ersten Bestimmungsweg gemessenen NOx-Umsatz wird aber nun nicht der Ammoniak-Umsatz und durch Integration der Füllstand bestimmt, sondern über ein Kennfeld „Ammoniak-Füllstand über NOx-Umsatz" in Abhängigkeit vom NOx-Umsatz direkt der Füllstand ermittelt. Der NOx-Umsatz ist außer von der Temperatur, dem NO ₂ /NO _x -Verhältnis, dem Abgasmassenstrom und weiteren Randbedingungen, vor allem vom gesamten Ammoniak-Angebot und somit auch vom Ammoniak-Füllstand abhängig. Diese Abhängigkeit wird zur Füll- Standsbestimmung genutzt. Vorteil ist, dass dieses Verfahren ohne Integration auskommt und somit nicht im Laufe der Zeit immer ungenauer wird wie der erste Bestimmungsweg. Auch diese Kennfeldmethode berücksichtigt gemäß einer Ausgestaltung nicht einen Ammoniakschlupf oder die Querempfindlichkeit des zweiten NOx-Sensors gegen Ammoniak.

Entscheidender Vorteil der Kombination beider Bestimmungswege ist, dass sich Fehler der Messung sowohl durch Ammoniakschlupf als auch durch Sensorfehler erkennen und durch Mittelwertbildung der ermittelten Füllstandswerte teilweise kompensieren lassen. Die Auswirkungen von Ammoniakschlupf sowie auch Sensorfehler gehen in beiden Bestimmungswegen gegenläufig in den Füllstand ein. Tritt z.B. Ammoniakschlupf auf, so wird der zweite NOx-Sensor nach dem SCR-Katalysator aufgrund der Ammoniak-

Querempfindlichkeit stets einen zu hohen NOx-Wert messen. Im ersten Bestimmungsweg wird dann ein zu niedriger NOx- und Ammoniak-Umsatz und somit der Ammoniak- Füllstand zu hoch bestimmt. Im zweiten Bestimmungsweg wird hingegen aus der niedrigeren NOx-Umsatzrate über das Kennfeld ein zu niedriges Ammoniakangebot und somit ein zu niedriger Ammoniak-Füllstand diagnostiziert. Durch geeignet gewichtete Mittelwert- Bildung gelangt man zu einem plausiblen Füüstands-Wert des Ammoniak. Für Sensorfehler ist die Betrachtung beispielsweise vollständig analog. Auch diese verhalten sich beispielsweise gegenläufig.

Im übrigen sei darauf verwiesen, dass ein jeder Bestimmungsweg selbst einen Korrekturfaktor oder sonstigen Wert aufweisen kann, mit dem eine Abweichung, eine Drift und/oder eine sonstige änderung ausgeglichen werden kann. Dieses kann auch bei den hier vorgeschlagenen Bestimmungswegen und ihrer jeweiligen Verknüpfung miteinander ebenfalls vorgesehen sein.

Darüber hinaus lässt sich mittels zumindest zwei verschiedener Bestimmungswege ein Diagnoseverfahren für eine Füllstandsdrift ausführen. Dazu wird beispielsweise unter sonst stationären Betriebsbedingungen die Ammoniakzufuhr verringert: driften die nach beiden Verfahren gemessenen Füllstände als Reaktion im beschriebenen Richtungssinn näher aneinander, so ist als Ursache für die Drift ein Ammoniakschlupf zu diagnostizieren, der Füllungs-Zustand also an oder bereits über der Grenze zum Ammoniakschlupf. Driften die Füllstandswerte weiter auseinander, so ist zu wenig Ammoniak im Speicher, beispielsweise verursacht durch einen Sensorfehler. Durch Korrektur des Sensorsignals bzw. der Dosierung kann dieser Fehler dann kompensiert werden. Entsprechendes kann auch durch eine erhöhte Ammoniakzufuhr festgestellt werden. Diese Diagnose kann zur Regelung, zu einer Grenzwertkontrolle oder als ein Plausibilitätskriterium verwendet werden. Beispielsweise kann hierüber auch eine Zustandskontrolle der Regelung oder auch eines Schwellwertes erfolgen, eventuell mit anschließender Anpassung beispielsweise durch Adaption.

Für einen dritten Bestimmungsweg werden zum Beispiel nur die eingehenden Temperaturen, Ammoniak- und NOx-Mengen zusätzlich zu schon beispielsweise vorhandene Kenngrößen des SCR-Katalysators wie zum Beispiel Zelldichte, Materialeigenschaft etc. benötigt, da ein physikalisches Modell in der Lage ist, sich die ausgehenden Werte inklusive des Füllstandes selbst zu errechnen. Dieses Verfahren kann gemäß einem weiteren Ge-

danken der Erfindung als ein weiteres unabhängiges Verfahren, insbesondere zur Plausi- bilitätskontrolle zur Kombination des ersten und des zweiten Bestimmungsweges als auch als ein Einzel-Messverfahren herangezogen werden.

Ein vierter Bestimmungsweg behandelt den SCR-Katalysator 11 als ein regeltechnisches Zeitglied 1. Ordnung bezüglich der Speicherung. In einem Kennfeld sind hierzu die Zeitkonstanten bzw. das zeitliche Verhalten der Ammoniakspeicherung in Abhängigkeit von Temperatur und Füllstand gegeben. Aus dem Ammoniak- und NOx-Angebot, gemessen beispielsweise gemäß des dritten Bestimmungsweges, kann somit der Ammoniak- Füllstand jederzeit ermittelt werden. Das Zeitglied stellt dabei eine Integration dar. Beispielsweise wird hier das physikalische detaillierte Modell des dritten Bestimmungsweges durch eine Black-Box mit PT1 -Verhalten beim Auffüllvorgang bzw. DT1 -Verhalten beim Entleeren des Füllstands ersetzt.

Fig. 2 zeigt einen Zusammenhang zwischen einer Ammoniak-Speicherfähigkeit, dargestellt auf der Y-Achse, und einer Temperatur eines SCR-Katalysators, dargestellt auf der X-Achse. Bei einer niedrigen Abgastemperatur weisen SCR-Katalysatoren eine hohe Speicherfähigkeit für NH3 auf. Zudem steigt ein Wirkungsgrad eines SCR-Katalysators mit einem Speicherfüllstand. Ein zu hoher Speicherfüllstand ist jedoch zu vermeiden, da es bei einer steigenden Temperatur zu einem raschen Rückgang der Speicherfähigkeit so wie dargestellt kommt und daher überschüssiges NH3 in die Umgebung abgegeben werden würde. Dieses hätte einen sogenannten NH3-Schlupf zur Folge. Aus diesem Grunde wird ein NH3-Füllstand des SCR-Katalysators überwacht und aufgrund einer Kenntnis des aus Fig. 2 speziell für einen SCR-Katalysator hervorgehenden Zusammenhangs ein SoII- wert vorzugsweise geregelt, zumindest aber eingesteuert. Des Weiteren wird dieser Zusammenhang genutzt, um einen oder mehrere verschiedene Schwellwerte, beispielsweise für einen N H3-Schlupf definieren zu können.

Fig. 3 zeigt in vereinfachter Darstellung einen weiteren Zusammenhang zwischen Ammo- niak-Füllstand in einem SCR-Katalysator, dargestellt auf der Y-Achse und einer NOx- Konvertierung beziehungsweise eines NH3-Schlupfes, dargestellt auf der Y-Achse. Je höher der NH3-Füllstand des SCR-Katalysators ist, umso größer wird zum einen die Möglichkeit, dass ein NH3-Schlupf auftritt. Auch wird in die Menge, die bei einem derartigen NH3-Schlupf in die Umgebung entweichen kann, bei ansteigendem NH3-Füllstand immer größer. Da des Weiteren die Speicherfähigkeit mit ansteigender Temperatur abnimmt, gleichzeitig bei steigender Temperatur aber auch NOx-Emissionen zunehmen, anderer-

seits bei ansteigendem NH3-Füllstand des SCR-Katalysators der Wirkungsgrad desselben zur NOx-Konvertierung zunimmt, hat sich herausgestellt, dass gemäß einem Gedanken, der auch einzeln fortführbar ist, es vorteilhaft sei, einen Eingriff in eine Steuerung der Brennkraftmaschine vorzusehen, so dass es bei einem Temperaturanstieg gleichzeitig zu höheren NOx-Rohemissionen kommt, die zu einem schnelleren Abbau des gespeicherten Ammoniaks führen.

Fig. 4 zeigt in beispielhafter schematischer Darstellung eine Ausgestaltung eines möglichen Verfahrensablaufs. Hierbei werden verschiedene Arten einer NH3- Füllstandsbestimmung genutzt, abgekürzt dargestellt als NH3-Bilanz, Kennfeld- und Kinetik-Modell. Diese können ergänzt werden durch weitere Arten der Bestimmung, was durch das Leerkästchen angedeutet ist. Diese werden beispielsweise jeweils mit einem Gewichtungsfaktor versehen, angedeutet durch die Gewichtungsfunktion 17. Als Eingangsgrößen für eine Gewichtung können hierbei eine Temperatur, ein Wasserstrom oder ein sonstiger Parameter dienen. Aus dem gesamten wird somit ein NH3-Füllstand ermittelt, der vorzugsweise Bestandteil einer Regelung des NH3-Füllstands des SCR-Katalysators ist.

Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine Kompensation beispielsweise aufgrund von in unterschiedliche Richtungen strebenden Arten der NH3- Füllstandsermittlung genutzt wird. So strebt beispielsweise die Ermittlung über eine NH3- Bilanz in eine andere Richtung als die Ermittlung des NH3-Füllstandes über eine Art der Kennfeldberechnung. Diese beiden miteinander Korrelierten vermindern zumindest den ansonsten vorhandenen Abweichungsfehler, können insbesondere sich sogar bei geeigneter Korrelation gegeneinander aufheben. Des Weiteren erlaubt dieses auch eine über- prüfung, ob bei zu großen Abweichungen ein oder mehrere der aufgenommenen Werte eventuell fehlerhaft ist. Hierüber kann eine Betriebsaussage getroffen werden, ob eventuell ein Fehler vorliegt, beispielsweise bei einem Sensor, einer Messeinheit, einer Korrelationseinheit, einem Detektierungsmodul oder eventuell an einem SCR-Katalysator. Die Möglichkeiten der Kompensation können auch unterschiedlich sein. So kann beispiels- weise durch gewichtete Mittelwertbildung Derartiges erfolgen. Durch eine Mittelwertbildung kann insbesondere eine zumindest teilweise Kompensation der jeweils ermittelten NH3-Füllstandswerte erfolgen.

Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines Regelungsschemas zur Bestimmung eines NH3-Füllstands eines SCR-Katalysators. Der NH3-Füllstand ist angegeben als

NH _3S p_act- Dieses stellt das Ergebnis dieses Ausschnittes des Regelungsverfahrens dar.

Ein NH3-Füllstand wird gemäß dieser Darstellung zweifach bestimmt. Zum einen wird

über eine NH3-Bilanz ein erster NH3-Füllstand ermittelt. Dieser Wert NH _3S p_ _B iianz geht e- benso ein wie ein über ein Kennfeld bestimmter NH3-Füllstand, welcher eine Abhängigkeit einer NOx-Konvertierung vom NH3-Füllstand berücksichtigt. Dieser Wert ist als Teilergebnis NH _3S p_κ _ennfe i _d angegeben. Bezogen auf die Ermittlung über eine Bilanzierung wird beispielsweise eine Integration einer Differenz aus dosiertem und konvertierten NH3- Maεεenstrorn ausgeführt. Die Bestimmung über das Kennfeid hingegen beinhaltet Versuchsergebnisse für eine Abhängigkeit zwischen NH3-Füllstand und NOx-Konvertierung. Damit kann der gemessenen NOx-Konvertierung ein NH3-Füllstand zugeordnet werden. Dieses Ergebnis wird über ein weiteres Kennfeld korrigiert, welches berücksichtigt, dass die NOx-Konvertierung neben der Temperatur und dem NH3-Füllstand noch von weiteren Randbedingungen wie beispielsweise NO ₂ /NOχ-Konvertierung, Nθ ₂ /NO _x -Verhältnis, Raumgeschwindigkeit etc., abhängig ist. Die beiden Teilergebnisse werden über eine temperaturabhängige Kennlinie gewichtet zum Gesamtergebnis zusammengefasst. Die aus Fig. 6 hierbei hervorgehenden Werte setzen sich wie folgt zusammen:

NH _3D Os: dosiertes NH ₃ (Signal vom Dosiersteuergerät)

NH ₃ KONv: konvertiertes NH ₃

NOχv: NOχ-Konzentration vor SCR-Kat (Signal aus Kennfeld, Berechnung oder

Sensor) NOχv: NOχ-Konzentration nach SCR-Kat (NOχ-Sensor)

TSCR: SCR-Katalysatortemperatur

NH _3S p_Bιianz: gespeichertes NH ₃ aus Bilanz NH _3S p_κennfeid: gespeichertes NH ₃ aus Kennfeld NH _3SP _act: gespeichertes NH ₃ ETASCR: Wirkungsgrad SCR-Kat

NO ₂ /NO _X : Verhältnis NO ₂ zu NO _x -Konzentration vor SCR-Kat RG: Raumgeschwindigkeit

Fig. 7 zeigt in einer oberen Darstellung, dass es bei einem starken Lastanstieg zu einem schnellen Anstieg der SCR-Katalysatortemperatur kommen kann. Hierfür ist im Vergleich in der unteren Darstellung zur gleichen Zeit eine Lasterhöhung gepunktet dargestellt eingezeichnet. Aufgrund der erhöhten Temperatur kommt es zu einer höheren Bildung von NO _x und gleichzeitig zu einem Abfallen der Speichermöglichkeit von NH ₃ im SCR- Katalysator. Dieses wird durch die gestrichelte Kurve angedeutet, die das maximal spei- cherbare NH ₃ anzeigt, während das aktuell gespeicherte NH ₃ durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist. Aufgrund der Lasterhöhung und der dadurch erzeugten Temperaturerhöhung kann nun der Effekt auftreten, dass selbst bei einer deaktivierten Dosierung die

bereits im SCR-Katalysator gespeicherte Menge nicht mehr vollständig in Form einer NO _x - Konvertierung umgesetzt werden kann. Das führt dazu, dass beim Schneiden des Wertes für den aktuell gespeicherten NH ₃ -Wert und den maximal speicherbaren NH ₃ -Wert Ammoniak in die Umgebung entweicht. Dieses wird durch den dargestellten NH ₃ -Schlupf verdeutlicht. Die darunter dargestellte Betriebsweise der Brennkraftmaschine zeigt, dass bei Lasterhöhung ebenfalls die Temperatur des SCR-Kata!ysators ansteigt. Daher geht auch hier das maximal speicherbare NH ₃ herunter. Durch eine änderung der Betriebsart der Brennkraftmaschine kann jedoch ein höherer NH ₃ -Wert zur Verfügung gestellt werden. Wird hierbei neben einer höheren NOχ-Rohemission auch gleichzeitig beispielsweise ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch mittels zum Beispiel reduzierter Abgasrückführrate oder einem nach früh verstelltem Einspritzbeginn erzielt, kann damit der Schlupfbildung entgegengewirkt werden. So wie dargestellt fällt der aktuell gespeicherte NH ₃ -Füllstand so ab, dass er unterhalb des maximal speicherbaren NH ₃ -Grenzwertes verbleibt. Wie oben dargestellt, kann der maximal speicherbare NH ₃ -Wert als Grenzwert auch genutzt werden, um überprüfen zu können, inwiefern die Regelung und insbesondere eine Lastumschal- tung tatsächlich funktioniert. Beispielsweise durch eine Sensoraufnahme eines eventuell NH ₃ -Schlupfes kann hierbei eine überwachung sichergestellt werden.